什么是布朗運(yùn)動(dòng)？

什么是布朗運(yùn)動(dòng)？

布朗運(yùn)動(dòng)是講看起來連成一片的液體，在高倍顯微鏡下看其實(shí)是由許許多多分子組成的。液體分子不停地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，不斷地隨機(jī)撞擊懸浮微粒。當(dāng)懸浮的微粒足夠小的時(shí)候，由于受到 的來自各個(gè)方向的液體分子的撞擊作用是不平衡的。在某一瞬間，微粒在另一個(gè)方向受到的撞擊作用超強(qiáng)的時(shí)候，致使微粒又向其它方向運(yùn)動(dòng)，這樣，就引起了微粒的無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)就是布朗 運(yùn)動(dòng)。

布朗運(yùn)動(dòng)定義：被分子撞擊的懸浮微粒做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象叫做布朗運(yùn)動(dòng)

布朗運(yùn)動(dòng)案例：在顯微鏡下觀察懸浮在水中的藤黃粉、花粉微粒，或在無風(fēng)情形觀察空氣中的煙粒、塵埃時(shí)都會(huì)看到這種運(yùn)動(dòng)。溫度越高，運(yùn)動(dòng)越激烈。

它是1827年植物學(xué)家R.布朗最先用顯 微鏡觀察懸浮在水中花粉的運(yùn)動(dòng)而發(fā)現(xiàn)的。作布朗運(yùn)動(dòng)的粒子非常微小，直徑約1~10微米， 在周圍液體或氣體分子的碰撞下，產(chǎn)生一種漲落不定的凈作用力，導(dǎo)致微粒的布朗運(yùn)動(dòng)。

如果布朗 粒子相互碰撞的機(jī)會(huì)很少，可以看成是巨大分子組成的理想氣體，則在重力場中達(dá)到熱平衡后，其數(shù)密度按高度的分布應(yīng)遵循玻耳茲曼分布。

J.B.佩蘭的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)，并由此相當(dāng)精確 地測定了阿伏伽德羅常量及一系列與微粒有關(guān)的數(shù)據(jù)。

1905年A.愛因斯坦根據(jù)擴(kuò)散方程建立了布朗運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)理論。布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析間接地證實(shí)了分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng) ，對(duì)于氣體動(dòng)理論的建立以及確認(rèn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子性具有重要意義，并且推動(dòng)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)特別是漲落理論的發(fā)展。

由于布朗運(yùn)動(dòng)代表一種隨機(jī)漲落現(xiàn)象，它的理論對(duì)于儀表測量精度限制的研 究以及高倍放大電訊電路中背景噪聲的研究等有廣泛應(yīng)用。

這是1826年英國植物學(xué)家布朗（1773-1858）用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來把懸浮微粒的這種運(yùn)動(dòng)叫做布朗運(yùn)動(dòng)。不只是花粉和小炭粒，對(duì)于液體中各種不同的懸浮微粒，都 可以觀察到布朗運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)可在氣體和液體中進(jìn)行。

布朗運(yùn)動(dòng)五大特點(diǎn)：

布朗運(yùn)動(dòng)無規(guī)則每個(gè)液體分子對(duì)小顆粒撞擊時(shí)給顆粒一定的瞬時(shí)沖力，由于分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性，每一瞬間，每個(gè)分子撞擊時(shí)對(duì)小顆粒的沖力大小、方向都不相同，合力大小、方向隨時(shí)改變，因而布朗運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的。

布朗運(yùn)動(dòng)永不停歇

因?yàn)橐后w分子的運(yùn)動(dòng)是永不停息的，所以液體分子對(duì)固體微粒的撞擊也是永不停息的。

布朗運(yùn)動(dòng)顆粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯

顆粒越小，顆粒的表面積越小，同一瞬間，撞擊顆粒的液體分子數(shù)越少，據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，少量分子同時(shí)作用于小顆粒時(shí)，它們的合力是不可能平衡的。而且，同一瞬間撞擊的分子數(shù)越少，其合 力越不平衡，又顆粒越小，其質(zhì)量越小，因而顆粒的加速度越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越容易改變，故顆粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯。

溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯溫度越高，液體分子的運(yùn)動(dòng)越劇烈，分子撞擊顆粒時(shí)對(duì)顆粒的撞擊力越大，因而同一瞬間來自各個(gè)不同方向的液體分子對(duì)顆粒撞擊力越大，小顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變 越快，故溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯。

布朗運(yùn)動(dòng)肉眼看不見

做布朗運(yùn)動(dòng)的固體顆粒很小，肉眼是看不見的，必須在顯微鏡才能看到。布朗運(yùn)動(dòng)間接反映并證明了分子熱運(yùn)動(dòng)。

布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因及歷史進(jìn)程：

1827年，蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗發(fā)現(xiàn)水中的花粉及其它懸浮的微小顆粒不停地作不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)，稱為布朗運(yùn)動(dòng)。人們長期都不知道其中的原理。

50年后，J·德耳索提出這些微小顆 粒是受到周圍分子的不平衡的碰撞而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。后來得到愛因斯坦的研究的證明。

布朗運(yùn)動(dòng)也就成為分子運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。

懸浮在液體或氣體中的微粒(線度~10－3mm)表現(xiàn)出的永不停止的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，如墨汁稀釋后碳粒在水中的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，藤黃顆粒在水中的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)……。而且溫度越高，微粒的布朗運(yùn)動(dòng)越 劇烈。布朗運(yùn)動(dòng)代表了一種隨機(jī)漲落現(xiàn)象。

布朗運(yùn)動(dòng)是大量分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)對(duì)懸浮的固體微粒各個(gè)方向撞擊作用的不均衡性造成的，所以布朗運(yùn)動(dòng)是大量液體分子集體行為的結(jié)果。

布朗的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)新奇的現(xiàn)象，它的原因是什么？人們是迷惑不解的。在布朗之后，這一問題一再被提出，為此有許多學(xué)者進(jìn)行過長期的研究。一些早期的研究者簡單地把它歸結(jié)為熱或電等 外界因素引起的。

最早隱約指向合理解釋的是維納(1826——1896)，1863年他提出布朗運(yùn)動(dòng)起源于分子的振動(dòng)，他還公布了首次對(duì)微粒速度與粒度關(guān)系的觀察結(jié)果。不過他的分子模型還不是 現(xiàn)代的模型，他看到的實(shí)際上是微粒的位移，并不是振動(dòng)。

布朗運(yùn)動(dòng)流動(dòng)根源

在維納之后，S·?？怂辜{也測定了微粒的移動(dòng)速度。他提出布朗運(yùn)動(dòng)是由于微觀范圍的流動(dòng)造成的，他沒有說明這種流動(dòng)的根源，但他看到在加熱和光照使液體粘度降低時(shí)，微粒的運(yùn)動(dòng)加劇了。就這樣，維納和S·?？怂辜{都把布朗運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為物系自身的性質(zhì)。這一時(shí)期還有康托尼，他試圖在熱力理論的基礎(chǔ)上解釋布朗運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為微?？梢钥闯墒蔷薮蠓肿?，它們與液體介質(zhì)處于熱平衡，它們與液體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)起源于滲透作用和它們與周圍液體之間的相互作用。

布朗運(yùn)動(dòng)撞擊微粒到了70——80年代，一些學(xué)者明確地把布朗運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為液體分子撞擊微粒的結(jié)果，這些學(xué)者有卡蓬內(nèi)爾、德爾索和梯瑞昂，還有耐格里。植物學(xué)家耐格里(1879)從真菌、細(xì)菌等通過空氣傳播的現(xiàn)象，認(rèn)為這些微粒即使在靜止的空氣中也可以不沉。聯(lián)系到物理學(xué)中氣體分子以很高速度向各方向運(yùn)動(dòng)的結(jié)論，他推測在陽光下看到的飛舞的塵埃是氣體分子從各方向撞擊的結(jié)果。

他說：“這些微小塵埃就象彈性球一樣被擲來擲去，結(jié)果如同分子本身一樣能保持長久的懸浮?！辈贿^耐格里又放棄了這一可能達(dá)到正確解釋的途徑，他計(jì)算了單個(gè)氣體分子和塵埃微粒發(fā)生彈性碰撞時(shí)微粒的速度，結(jié)果要比實(shí)際觀察到的小許多數(shù)量級(jí)，于是他認(rèn)為由于氣體分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性，它們共同作用的結(jié)果不能使微粒達(dá)到觀察速度值，而在液體中則由于介質(zhì)和微粒的摩擦阻力和分子間的粘附力，分子運(yùn)動(dòng)的設(shè)想不能成為合適的解釋。

布朗運(yùn)動(dòng)解決難題

1874——1880年間，卡蓬內(nèi)爾、德耳索和梯瑞昂的工作解決了耐格里遇到的難題。這里的關(guān)鍵是他們認(rèn)為由于分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性和分子速度有一分布，在液體或氣體中的微觀尺度上存在密 度和壓力的漲落。這種漲落在宏觀尺度上抵消掉了。但是如果壓方面足夠微小，這種不均勻性就不能抵消，液體中的相應(yīng)的擾動(dòng)就能表現(xiàn)出來。因此懸浮在液體中的微粒只要足夠小，就會(huì)不 停地振蕩下去。卡蓬內(nèi)爾明確地指出唯一影響此效應(yīng)的因素是微粒的大小，不過他把這種運(yùn)動(dòng)主要看成振蕩，而德耳索根據(jù)克勞修斯把分子運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的觀點(diǎn)，認(rèn)為微粒的運(yùn)動(dòng)是 無規(guī)則位移，這是德耳索的主要貢獻(xiàn)。

布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)觀察

此后，古伊在1888——1895年期間對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過大量的實(shí)驗(yàn)觀察。古伊對(duì)分子行為的描述并不比卡蓬內(nèi)爾等人高明，他也沒有弄清漲落的見解。

不過他的特別之處是他強(qiáng)調(diào)的不是對(duì)布朗 運(yùn)動(dòng)的物理解釋，而是把布朗運(yùn)動(dòng)作為探究分子運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的一個(gè)工具。

他說：“布朗運(yùn)動(dòng)表明，并不是分子的運(yùn)動(dòng)，而是從分子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)出的一些結(jié)果能向我們提供直接的和可見的證據(jù)，說明對(duì)熱本質(zhì)假設(shè)的正確性。按照這樣的觀點(diǎn)，這一現(xiàn)象的研究承擔(dān)了對(duì)分子物理學(xué)的重要作用。”古伊的文獻(xiàn)產(chǎn)生過重要的影響，所以后來貝蘭把布朗運(yùn)動(dòng)正確解釋的來源歸功于古伊。

布朗運(yùn)動(dòng)研究工作

到了1900年，F(xiàn)·?？怂辜{完成了布朗運(yùn)動(dòng)前期研究的最后工作。他用了許多懸濁液進(jìn)行了和他的父親S·?？怂辜{30年前作過的同類研究。

他測定了微粒在1min內(nèi)的位移，與前人一樣，證實(shí)了微粒的速度隨粒度增大而降低，隨溫度升高而增加。他清楚地認(rèn)識(shí)到微粒作為巨大分子加入了液體分子的熱運(yùn)動(dòng)，指出從這一觀點(diǎn)出發(fā)“就可以得出微粒的動(dòng)能和溫度之間的關(guān)系。

”他說 ：“這種可見的運(yùn)動(dòng)及其測定值對(duì)我們清楚了解液體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)會(huì)有進(jìn)一步的價(jià)值”。

布朗運(yùn)動(dòng)研究情況

以上是1900年前對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)研究的基本情況。自然，這些研究與分子運(yùn)動(dòng)論的建立是密切相關(guān)的。由麥克斯威和玻爾茲曼在60——70年代建立的氣體分子運(yùn)動(dòng)論在概念上的一個(gè)重大發(fā)展是拋棄了對(duì)單個(gè)分子進(jìn)行詳細(xì)跟蹤的方法，而代之以對(duì)大量分子的統(tǒng)計(jì)處理，這為弄清布朗運(yùn)動(dòng)的根源打下了基礎(chǔ)。與布朗運(yùn)動(dòng)的研究有密切關(guān)系的還有在60年代由格雷哈姆建立的膠體科學(xué)。

所謂膠體是由粒度介于宏觀粒子和微觀分子之間的微粒形成的分散體系，布朗運(yùn)動(dòng)正是膠體粒子在液體介質(zhì)中表現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于布朗運(yùn)動(dòng)的研究，1900年是個(gè)重要的分界線。至此，布朗運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ鸵呀?jīng)顯明，剩下的問題是需要作出定量的理論描述了。

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